混凝土结构课程教材改革与实践

龚自明，夏志成，袁小军，马淑娜，孔新立

（解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007）

《钢筋混凝土结构》是我校土木工程专业的一门专业基础核心课程，课程教材是该专业的学生学习混凝土结构知识的第一老师，对于培养学生的科学思维、工程意识、创新能力具有重要意义。教材的内容涉及经典力学理论的简化及应用、大量结构试验资料的分析与总结、学科融合产生的工程新技术的创新与实践；它既是对结构设计原理与方法的介绍，又是对我国现行规范、规程的宣讲和贯彻。

本文结合我校开展的混凝土结构相关科学研究情况，介绍了我校混凝土结构课程教材的改革与实践情况。

一、我校以往混凝土结构课程教材存在的问题

近几年，为适应新时期军事斗争准备的需要，军队院校教育转型工作如火如荼的开展起来。这一情况要求我校的混凝土结构课程教学目标，既要达到普通高校土木工程专业的基本要求，又要突出军事土木工程领域的鲜明特色。

在这一转型过程中，教材建设无疑具有重要地位和作用。我校在混凝土结构课程建设中一贯重视教材的编写工作，钱七虎院士、王年桥教授、俞儒一教授、方秦教授等人先后编著出版了供我校土木工程专业的本科生及研究生学习用的防护结构计算原理与设计方面的教材，为军事土木工程技术人才的培养做出了突出贡献。

但上述书籍是针对武器冲击、爆炸作用下的结构设计而编写的，目的是掌握现代武器对工程的破坏效应及工程的防护原理，学会防护结构和防护设备系统的设计原理和方法，了解防护工程领域科技的新发展。而上述目的的达到，是建立在学生完成传统《钢筋混凝土结构》课程知识学习基础之上的；也就是说，军事土木工程专业的学生，既要学习掌握民用钢筋混凝土结构的设计原理与方法，也要掌握钢筋混凝土防护结构的设计原理与方法。

以往的教材选用，民用钢筋混凝土结构相关知识的学习采用地方高校编写的通用教材，钢筋混凝土防护结构相关知识的学习采用自编教材。这种教学处理方法，过分强调了两种结构的特性，而淡化或忽略了二者之间的共性，前后知识联系不紧密，造成学生知识的割裂，不利于学生综合素质的培养。如何加强混凝土结构知识体系之间的联系，就成为了我校混凝土结构课程教材改革必须回答和首先解决的一个问题。

二、我校混凝土结构课程教材改革与实践情况

军事土木工程专业的人才培养目标决定了我校混凝土结构课程二元化的教学内容安排，也决定了混凝土课程教材的改革原则和方法，即基于《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）的混凝土结构设计原理、设计方法及构造处理措施的学习与基于军队相关规范的钢筋混凝土防护工程的设计原理与方法的学习仍需分开教学；前者的教材改革，着重在通用教材的基础上，突出共性，添加补充部分相关的防护结构知识，增强静力结构与动力结构的相关知识之间的联系，后者的教材改革，着重补充钢筋混凝土防护结构新的研究理论、技术途径和工程措施。

之所以采用上述的混凝土结构课程改革原则及方法，是因为钢筋混凝土防护结构和一般的钢筋混凝土民用结构之间既有紧密联系，又有本质区别。从材料组成上看，二者是相同的，均为钢筋和混凝土；从设计方法上看，二者均采用以概率为基础的极限状态设计方法。然而，由于所受荷载的不同，材料的静、动力学性能存在较大差异，导致两种结构的反应明显不同，其具体设计原理也就不可能一致。

防护结构与一般的民用钢筋混凝土结构存在区别，主要原因是结构受到的荷载形式不同引起的。一般的民用钢筋混凝土结构，主要考虑的作用是永久作用和可变作用，结构分析采用静力学方法进行分析，平衡方程为代数方程；而防护结构主要考虑的作用是偶然装药（冲击、爆炸），结构分析需要采用动力学方法进行分析，即需要考虑惯性的影响，平衡方程为微分方程。

而惯性对结构反应的影响从两个方面体现出来，一个是材料的应变率效应，另一个是作用与结构存在相互影响。因此，防护结构的设计涉及两方面的内容，一方面是钢筋混凝土结构在冲击、爆炸作用下的运动规律，另一方面是钢筋混凝土本身的动态力学性质，即材料动态本构关系。

结合防护结构特点，与民用钢筋混凝土结构相比，防护结构设计有以下特点：

1.结构可靠度可适当降低

在正常使用阶段，一般民用建筑一旦遭到破坏，将危害人民生命财产的安全，造成严重的后果，因此在设计时对结构可靠度要求很高，或者说要求破坏概率或失效概率必须很低。对防护工程而言，由于所抵抗预定武器的冲击爆炸荷载并不是经常出现和固定不变的，仅在战时才可能出现且作用时间短暂，通常仅考虑一次武器作用，因此容许结构有相对较低一些的可靠度。

2.应考虑结构的动力响应

防护结构通常主要抵抗动荷载作用，静荷载只占较少的比例。在冲击爆炸荷载作用下结构将产生振动，由于惯性力的影响，其动应力和动位移不同于静载作用下的应力和位移。此外，与一般民用建筑承受的动力作用相比，防护结构的动荷载作用是瞬时或短暂的，结构动力分析通常采用等效静载法，将动力计算转化为静力计算。对特殊工程才进行较为严格的动力分析，直接计算出结构的动应力和动位移。

3.允许构件进入塑性阶段

防护结构的动荷载具有瞬时性和短暂性，并随时间而衰减，因此，即使构件进入塑性屈服状态，只要构件最大变形不超过结构破坏的极限变形，在荷载作用消失后，构件的振动变形将因阻尼的影响而不断衰减，最后恢复到一定的静止平衡状态。在大多数情况下，超过弹性范围不大的塑性变形并不妨碍防护结构在遭受冲击爆炸作用后的使用，结构常常允许出现裂缝和一定的残余变形。通常情况下，考虑构件进入塑性阶段工作，可以充分发挥材料的潜能，具有更高的经济价值，但必须避免构件发生脆性破坏。

4.材料强度可以适当提高

混凝土和钢筋等材料的大量试验表明，材料强度的提高与加载速度或应变速率有关。随着加载速度或应变速率的增加，材料强度提高。在防护结构承受爆炸荷载的快速变形范围内，钢筋的弹性模量没有变化，屈服强度明显提高，混凝土的强度极限和弹性模量均有提高，但两种材料的变形指标如极限延伸率、极限变形、泊松系数等基本不变。在防护结构设计时，要考虑钢筋与混凝土的强度提高，但应注意相互匹配问题，两者不应相差太大。

5.应重视结构的构造要求

对于承受动荷载的防护结构，必要的构造措施与承载力计算同等重要，可以提高结构的整体抗毁能力。由于防护结构通常允许进入塑性阶段工作，如果构件没有足够的延性，将会出现屈服后的次生剪坏，必须采取一定的构造措施。由于防护结构允许在大变形状态下工作，因此不能完全简单地套用一般建筑结构中的构造要求和配筋方式，如双向板中的分离式配筋就不适用于防护结构。

为此，以教育转型为牵引，以新型军事人才培养为目标，以教材内容更新、优化为突破，2005年起我校混凝土结构教材改革就被提上日程。

2008年，课程组以成功申报“钢筋混凝土结构”国家精品课程为契机，成立教材编写组，着手新的混凝土结构课程教材的编写工作。

2010年，依据近些年新的防护工程研究成果，方秦、柳锦春编著了《防护结构计算与设计》一书作为我校土木工程专业本科生的课程教材，在此基础上，由军事科学出版社出版了该书的公开版。

2012年，为了进一步实现混凝土结构相关内容之间的有机联系，结合2011年7月颁布实施的新的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），夏志成教授牵头编写了《混凝土结构原理与应用》一书，供我校供军事土木工程专业教学使用。

三、我校混凝土结构研究的新发展

教材内容更新始终是教材改革的核心和灵魂。几十年来，在我校几代教研人员的努力下，我校混凝土结构教材改革不断推进和完善，为新型军事土木工程人才的培养奠定了坚实基础。

近年来国际战略形势深刻变化，恐怖爆炸袭击、燃气燃烧爆炸、核电站安全壳和桥墩等事故型冲击爆炸的防护已成为当前国内外防灾减灾工程及与防护工程学科的研究热点，其研究成果对提高民用建筑工程抗爆防爆减爆的安全防护建设水平，满足国家的战略需求都具有十分重要的学术理论价值以及经济与社会意义。

加强基础科学理论研究，加速实现科研成果走向课堂、走向部队、走向社会已成为我校领导和科技人员的共识。依托“防灾减灾工程及防护工程”国家重点学科、防灾减灾国家重点实验室，以方秦教授为首的科研团队，针对钢筋混凝土结构，正在开展以下几方面的研究工作：

（1）钢筋混凝土结构在冲击爆炸荷载作用下的动力响应

研究爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构柱的破坏效应及柱上的荷载分布规律，提出钢筋混凝土框架柱抗爆设计计算方法。研究钢筋混凝土整体结构在爆炸冲击作用下的变形、损伤、破坏与倒塌，提出钢筋混凝土抗爆减爆新方法的理论及工程防护措施。

研究钢筋混凝土板壳结构在低速冲击荷载作用下的损伤特性和毁伤效应，揭示撞击荷载作用下板壳结构局部毁伤效应机理，建立撞击荷载作用下板壳结构抗局部毁伤效应的计算方法。

（2）精确制导武器重复打击情况下的钢筋混凝土破坏效应及防护技术

针对重要钢筋混凝土防护结构可能受到精确制导常规武器重复的情况，开展多次冲击作用下混凝土材料动力学性能研究，提出钢筋混凝土结构抗制导武器重复打击设计理论及方法。

（3）爆炸与火荷载联合作用下钢筋混凝土结构动力响应

针对冲击爆炸和火荷载对结构的不同作用方式，研究冲击爆炸与火荷载多场耦合作用下钢筋混凝土结构的损伤破坏机理及结构动力响应，提出合理工程设计抗爆措施，从而为提升城市的综合防灾能力做出贡献。

四、结 语

为了更好的学习贯彻新颁布的混凝土结构设计规范，完成我校科研、学术成果向教学成果的转化，实现军事土木工程人才的培养目标，我校夏志成教授牵头编写了《混凝土结构原理与应用》一书。该书在保持通用教材特点的基础上，突出了鲜明的军事土木工程领域的特色。

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[1]龚自明，夏志成，陈明雄，马淑娜.军队院校钢筋混凝土结构教学内容改革及特点[J].建筑结构，Vol.（38）：156-159.

[2]夏志成 主编.钢筋混凝土结构原理与应用[M].解放军理工大学工程兵工程学院，2012.